讓石墨烯(graphene)成為半導(dǎo)體矽材料的接班人,已經(jīng)成為美國(guó)、日本、歐洲甚至是中國(guó)等地政府大力支持的優(yōu)先研究項(xiàng)目;但因?yàn)槭┤狈δ芟?bandgap)的自然特性,美國(guó)麻省理工學(xué)院(mit)與哈佛大學(xué)(harvarduniversity)的研究人員認(rèn)為大家可能都搞錯(cuò)了方向,應(yīng)該是找尋性能媲美石墨烯、但具備能隙的化合物材料。 研究人員指出,有一類以nihitp(nickelhexa-imino-triphenylene)為代表的材料,就擁有上述特性。mit化學(xué)教授mirceadinca表示:「就像石墨可剝離為石墨烯(也不過就是片狀的石墨),我們所開發(fā)的材料也能剝離成片狀;相較于石墨烯層,我們的材料層是能透過受控制的化學(xué)改質(zhì)(chemicalmodification)來調(diào)節(jié),因此能有系統(tǒng)地改變其電子特性。」
該種新開發(fā)材料的正式名稱是「ni3(hitp)2」,因?yàn)樗I合了鎳(ni)的3個(gè)原子以及2個(gè)hitp有機(jī)分子;不過nihitp只是一個(gè)具備天然能隙之材料類別中的第一種,能針對(duì)特定應(yīng)用在原子等級(jí)調(diào)節(jié)其電子功能。
類石墨烯材料的分子架構(gòu)會(huì)自然形成六角形晶格,而每個(gè)六角形的開口都能完全對(duì)齊
dinca指出:我們還沒量測(cè)出這種材料的能隙,但確定它大于0;石墨烯的能隙是0,并不適合做為半導(dǎo)體。我們現(xiàn)在正試圖將該種材料制作成大尺寸的片狀,首先要量測(cè)它的能隙并能更清楚描述其電子特性,其次則是用該種材料來制作元件;而這也是我們所面臨的挑戰(zhàn)。
此外dinca也表示,由于還有許多可調(diào)節(jié)的空間,真的看不到在生產(chǎn)更多材料方面的限制;而他們已經(jīng)有數(shù)種其他相關(guān)的二維材料,應(yīng)該都擁有些微不同的電子特性,這也正是他們正在尋找的,可調(diào)節(jié)的金屬-有機(jī)類石墨烯。 dinca的研究團(tuán)隊(duì)并非以傳統(tǒng)方式透過摻雜(doping)將雜質(zhì)或缺陷導(dǎo)入nihitp這種新材料,其方法是謹(jǐn)慎在原子層級(jí)打造該類材料──也就是在制程中由下至上(bottom-up)調(diào)諧其功能,以支援特定的電子、甚至可能是光學(xué)特性。
根據(jù)dinca的說法:「我們的材料是從原子層級(jí)就被明確定義;這就是關(guān)鍵所在,我們不是依靠缺陷,那無法被妥善理解而且無法良好控制;我們所創(chuàng)造的材料特性,能透過分子結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上進(jìn)行修改。我們能用由下至上、一個(gè)分子一個(gè)分子的方式來進(jìn)行?!?nihitp就像石墨烯一樣,會(huì)自組裝成完美的六角形蜂巢狀晶格,并堆疊成多層、每一層的六角形開口都能完全對(duì)齊,孔洞的厚度僅有2奈米。
掃描式電子顯微鏡下顯示二維架構(gòu)集合所形成的奈米粒子(來源:mit)
接下來研究人員打算制作單層狀(monolayer)新材料,以精確量測(cè)其能隙,并用以生產(chǎn)電子元件;研究小組也將利用不同化學(xué)配方打造出一系列相關(guān)材料,針對(duì)不同應(yīng)用從基礎(chǔ)元素調(diào)節(jié)其特性。例如能擷取不同波長(zhǎng)光線的太陽能電池、或是具備超高儲(chǔ)存密度的超級(jí)電容,甚至是拓樸絕緣體(topologicalinsulator)、量子霍爾效應(yīng)元件(quantumhalleffectdevice)。
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